IGBT器件结构的改进与器件性能的提升

论文摘要

绝缘栅型双极晶体管（IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor）器件因其具备良好的开关速度、较低的功耗和易于控制和驱动的特性而被广泛应用于电力电子领域。IGBT结构上是一种MOSFET和双极型晶体管的复合器件。它兼具MOSFET功率器件易于控制和驱动、开关频率较高的优点以及功率晶体管的导通电流大、导通压降和损耗较小的显著优点。然而IGBT导通过程中的大注入效应（电导率调制效应）在降低器件的导通压降和损耗的同时也导致了IGBT器件的开关性能的下降和开关损耗的增加。本文利用了半导体器件模拟仿真软件Medici对IGBT器件的结构进行模拟仿真。通过在常规IGBT器件结构中引入“Super Junction”的结构并对IGBT器件参数的优化,实现了IGBT器件结构中少数载流子分布的优化和器件开关性能以及耐压性能的提升。由仿真结果可知,具有“Super Junction”的PT-IGBT器件的关断时间仅为常规PT-IGBT器件关断时间的15%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 简介
• 1.1 常用功率器件介绍
• 1.2 IGBT 器件的工作模式
• 1.2.1 IGBT 的反向阻断模式
• 1.2.2 IGBT 的正向阻断模式
• 1.2.3 IGBT 的导通模式
• 1.3 IGBT 器件的优缺点
• 2 半导体器件虚拟设计和仿真软件Medici
• 2.1 半导体器件虚拟设计和仿真软件Medici 的简介
• 2.2 Medici 软件的特点
• 2.2.1 器件结构的网格化
• 2.2.2 器件仿真物理模型的选取
• 2.2.3 边界条件的选择
• 2.2.4 计算方法的选择
• 3 IGBT 器件的改进设想
• 3.1 IGBT 器件的缺点和常用解决方法明
• 3.1.1 IGBT 器件开关速度的限制
• 3.1.2 提升IGBT 器件开关速度的措施
• 3.2 改进IGBT 器件的设想1
• 3.3 改进IGBT 器件的设想2
• 3.4 改进IGBT 器件性能的目标
• 4 IGBT 仿真器件的建立和分析
• 4.1 IGBT 仿真器件的建立
• 4.2 漂移区结构参数与阻断电压的关系
• 4.2.1 NPT-IGBT 器件1 的仿真结果
• 4.2.2 器件2 的仿真结果
• 4.2.3 阻断条件下的仿真结果分析
• 4.3 少子分布与开关速度的关系
• 4.3.1 少子分布和仿真结果分析
• 4.3.2 NPT-IGBT 仿真器件3 的建立
• 4.4 IGBT 器件的关断特性分析
• 4.5 仿真结果分析结论
• 5 IGBT 器件的安全工作区的特性分析
• 5.1 IGBT 器件的“雪崩二次击穿”的仿真分析
• 5.2 IGBT 器件的“闩锁”效应仿真分析
• 5.2.1 器件的“闩锁”效应仿真结果
• 5.3 器件“雪崩二次击穿”和“闩锁”性能的改进措施和结果分析
• 5.3.1 器件“雪崩二次击穿”的改进措施
• 5.3.2 “闩锁”效应的改进措施
• 5.3.3 仿真结果分析
• 6 结论
• 参考文献
• 附录1：器件3 的建立和关断特性仿真程序
• 附录2：器件6 的建立和击穿特性仿真程序
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录